📌모던 자바 인 액션 Chapter 4. 스트림 소개

• SELECT name FROM dishes WHERE calorie < 400와 같은 SQL처럼 요리의 속성을 이용하여 어떻게 필터링할 것인지 구현할 필요가 없다. 이처럼 컬렉션에서 어떻게 구현해야 할지 명시하지 않고 구현을 자동으로 제공하는 기능을 만들 수 있지 않을까??
• 또한 많은 요소를 포함하는 커다란 컬렉션은 어떻게 처리해야 할까?
  성능을 높이려면 병렬로 컬렉션을 처리해야 하는데 복잡하고 어려울 것이다.
• 프로그래머가 귀중한 시간을 절약하고，편리한 삶을 누릴 수 있도록 자바 언어 설계자들은 어떤 결정을 내렸을까? 이 질문의 답은 스트림이다.

📖 4.1 스트림이란 무엇인가?

• 스트림은 자바 8APl에 새로 추가된 기능이다. 스트림을 이용하면 선언형 (즉, 데이터를 처리하는 임시 구현 코드 대신 질의로 표현할 수 있다)으로 컬렉션 데이터를 처리할 수 있다.
• 일단 스트림이 데이터 컬렉션 반복을 멋지게 처리하는 기능이라고 생각하자.
• 또한 스트림을 이용하면 멀티스레드 코드를 구현하지 않아도 데이터를 투명하게 병렬로 처리할수 있다.

다음 예제는 저칼로리의 요리명을 반환하고, 칼로리를 기준으로 요리를 정렬하는 자바 7 코드다. 이 코드를 자바 8의 스트림을 이용해서 다시 구현할 것이다.

• 자바 7

List<Dish> lowCaloricDishes = new ArrayList<>(); 
for(Dish dish: menu) {  // 누적자로 요소 필터링
	if(dish.getCalories() < 400) { 
		lowCaloricDishes•add(dish);
	}
}

Collections.sort(lowCaloricDishes, new Comparator<Dish>() { // 익명 클래스로 요리 정렬
	public int compare(Dish dish1, Dish dish2) {
	return Integer.compare(dish1.getCalories(), dish2.getCalories());
});

List<String> lowCaloricDishesName = new ArrayList<>(); 
for(Dish dish: lowCaloricDishes) {
	lowCaloricDishesName.add(dish.getName()); // 정렬된 리스트를 처리하면서 요리 이름 선택
}

위 코드에서는 lowCaloricDishes라는 ‘가비지 변수'를 사용했다. 즉, lowCaloricDishes는 컨테이너 역할만 하는 중간 변수다. 자바 8에서 이러한 세부 구현은 라이브러리 내에서 모두 처리한다.

• 자바 8

import static java.util.Comparator.comparing; 
import static java.util.stream.Collectors.toList;

List<String> lowCaloricDishesName = 
	menu.stream()
		.filter(d -> d.getCalories() < 400) // 400칼로리 이하의 요리 선택
		.sorted(comparing(Dish::getCalories)) // 칼로리로 요리 정렬
		.map(Dish::getName) // 요리명추출 
		.collect(toList()); // 모든 요리명을 리스트에 저장

stream()을 parallelStream()으로 바꾸면 이 코드를 멀티코어 아키텍처에서 병렬로 실행할 수 있다.

List<String> lowCaloricDishesName = 
	menu.parallelStream()
		.filter(d -> d.getCalories() < 400)
		.sorted(comparing(Dishes::getCalories))
		.map(Dish:igetName)
		.collect(toList());

성능은 7장에서!

• 스트림의 장점!

1. 선언형으로 코드를 구현할 수 있다.
   즉，루프와 if 조건문 등의 제어 블록을 사용해서 어떻게 동작을 구현할지 지정할 필요 없이 ‘저칼로리의 요리만 선택하라’ 같은 동작의 수행을 지정할 수 있다. 3장에서 살펴본 것처럼 선언형 코드와 동작 파라미터화를 활용하면 변하는 요구사항에 쉽게 대응할수 있다. 즉, 기존 코드를 복사하여 붙여 넣는 방식을 사용하지 않고 람다 표현식을 이용해서 저칼로리 대신 고칼로리의 요리만 필터링하는 코드도 쉽게 구현할수 있다.

2. filter, sorted, map, collect 같은 여러 빌딩 블록 연산을 연결해서 복잡한 데이터 처리 파이프라인을 만들 수 있다. 여러 연산을 파이프라인으로 연결해도 여전히 가독성과 명확성이 유지된다.

자바8의 스트림 API의 특징 요약
• 선언형 : 더 간결하고 가독성이 좋아진다.
• 조립할 수 있음 : 유연성이 좋아진다.
• 병렬화 : 성능이좋아진다.

앞으로 사용할 예제!

List<Dish> menu = Arrays.asList(
	new Dish("pork", false, 800, Dish.Type.MEAT), 
	new Dish("beef", false, 700, Dish.Type.MEAT), 
	new Dish("chicken", false, 400, Dish.Type.MEAT), 
	new Dish("french fries", true, 530, Dish.Type.OTHER), 
	new Dish("rice", true, 350, Dish.Type.OTHER), 
	new Dish("season fruit", true, 120, Dish.Type.OTHER), 
	new Dish("pizza", true, 550, Dish.Type.OTHER), 
	new Dish("prawns", false, 300, Dish.Type.FISH), 
	new Dish("salmon", false, 450, Dish.Type.FISH)
);

Dish는 불변형 클래스다.

public class Dish
	private final String name; 
	private final boolean vegetarian; 
	private final int calories;
	private final Type type;
    
	public Dish(String name, boolean vegetarian, int calories, Type type) { 
		this.name = name; 
		this.vegetarian = vegetarian; 
		this.calories = calories; 
		this.type = type;
	}
    
	public String getName() { 
		return name;
	}
    
	public boolean isVegetarian() { 
		return vegetarian;
	}
    
	public int getCalories() {
		return calories;
	}
    
	public Type getType() { 
		return type;
	}
    
	@Override
	public String toString() { 
		return name;
	}
    
	public enum Type { MEAT, FISH, OTHER }
}

📖 4.2 스트림 시작하기

스트림이란 데이터 처리 연산을 지원하도록 소스에서 추출된 연속된 요소로 정의할 수 있다

• 연속된 요소 : 컬렉션과 마찬가지로 스트림은 특정 요소 형식으로 이루어진 연속된 값 집합의 인터페이스를 제공한다.
  컬렉션은 자료구조이므로 컬렉션에서는 (예를 들어 ArrayList를 사용할 것인지 아니면 LinkedList를 사용할 것인지에 대한) 시간과 공간의 복잡성과 관련된 요소 저장 및 접근 연산이 주를 이룬다. 반면 스트림은 filter , sorted, map처럼 표현 계산식이 주를 이룬다. 즉, 컬렉션의 주제는 데이터고 스트림의 주제는 계산이다.

• 소스 ：스트림은 컬렉션, 배열, I/O 자원 등의 데이터 제공 소스로부터 데이터를 소비한다. 즉, 리스트로 스트림을 만들면 스트림의 요소는 리스트의 요소와 같은순서를 유지한다.

• 데이터 처리 연산 : 스트림은 함수형 프로그래밍 언어에서 일반적으로 지원하는 연산과 데이터베이스와 비슷한 연산을 지원한다. 예를 들어 filter, map, reduce, find , match, sort 등으로 데이터를 조작할 수 있다. 스트림 연산은 순차적으로 또는 병렬로 실행할 수 있다.

스트림은 두가지 주요 특징이 있다.

• 파이프라이닝 ：대부분의 스트림 연산은스트림 연산끼리 연결해서 커다란파이프 라인을 구성할 수 있도록 스트림 자신을 반환한다.

• 내부 반복 : 반복자를 이용해서 명시적으로 반복하는 컬렉션과 달리 스트림은 내부 반복을 지원한다.

예제로 확인해보자.

import static java.util.stream.Collectors.toList;

List<String> threeHighCaloricDishNames =
	menu.stream() // 메뉴(요리리스트)에서 스트림을 얻는다.
		.filter(dish -> dish.getCalories() > 300) // 파이프라인 연산만들기. 첫번째로 고칼로리요리를 필터링한다.
		.map(Dish::getName) // 요리명주출
		.limit(3) // 선착순 세개만 선택
		.collect(toList(); // 결과를 다른 리스트로 저장
        
System.out.println(threeHighCaloricDishNames); // 결과는 [pork, beef, chicken]이다.

• 우선 요리 리스트를 포함하는 menu에 stream 메서드를 호출해서 스트림을 얻었다.
  여기서 데이터 소스는 요리 리스트(메뉴)다. 데이터 소스는 연속된 요소를 스트림에 제공한다.
• 다음으로 스트림에 filter, map, limit, collect로 이어지는 일련의 데이터 처리 연산을 적용한다. collect를 제외한 모든 연산은 서로 파이프라인을 형성할 수 있도록 스트림을 반환한다. 파이프라인은 소스에 적용하는 질의 같은 존재다.
• 마지막으로 collect 연산으로 파이프라인을 처리해서 결과를 반환한다(collect는 스트림이 아니라 List를 반환한다). 마지막에 collect를 호출하기 전까지는 menu에서 무엇도 선택되지 않으며 출력 결과도 없다.
  즉, collect가 호출되기전까지 메서드 호출이 저장되는 효과가 있다.

📖 4.3 스트림과 컬렉션

• 데이터를 언제 계산하느냐가 컬렉션과 스트림의 가장 큰 차이다. 컬렉션은 현재 자료구조가 포함하는 모든 값을 메모리에 저장하는 자료구조다. 즉, 컬렉션의 모든 요소는 컬렉션에 추가하기 전에 계산되어야 한다.
• 반면 스트림은 이론적으로 요청할 때만 요소를 계산하는 고정된 자료구조다.
  사용자가 요청하는 값만 스트림에서 추출한다는 것이 핵심이다.
• 결과적으로 스트림은 생산자와 소비자 관계를 형성한다. 또한 스트림은 게으르게 만들어지는 컬렉션과 같다. 즉, 사용자가 데이터를 요청할 때만 값을 계산한다.
• 반면 컬렉션은 적극적으로 생성된다.
  소수 예제에 이를 적용해보자. 컬렉션은 끝이 없는 모든 소수를 포함하려 할 것이므로 무한 루프를 돌면서 새로운 소수를 계산하고 추가하기를 반복할 것이다. 결국 소비자는 영원히 결과를 볼 수 없게 된다.

4.3.1 딱 한 번만 탐색할 수 있다.

반복자와 마찬가지로 스트림도 한 번만 탐색할 수 있다. 즉，탐색된 스트림의 요소는 소비된다.
반복자와 마찬가지로 한 번 탐색한 요소를 다시 탐색하려면 초기 데이터 소스에서 새로운 스트림을 만들어야 한다.

Lis<String> title = Arrays.asList("]ava8", "In", "Action");
Stream<String> s = title.stream();
s.forEach(System.out::println); // title의 각 단어를 출력
s.forEach(System.out::println); 

스트림은 단 한 번만 소비할 수 있다는 점을 명심하자!

컬렉션과 스트림의 또 다른 차이점은 데이터 반복 처리 방법이다.

4.3.2 외부 반복과 내부 반복

컬렉션 인터페이스를 사용하려면 사용자가 직접 요소를 반복해야 한다(예를 들면 for-each 등을 사용해서). 이를 외부 반복 이라고 한다.
반면 스트림 라이브러리는 (반복을 알아서 처리하고 결과 스트림값을 어딘가에 저장해주는) 내부 반복 을 사용한다. 함수에 어떤 작업을 수행할지만 지정하면 모든 것이 알아서 처리된다.

// 컬렉션: for-each 루프를 이용하는 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>();
for (Dish dish: menu) { 
	names.add(dish.getName()); 
}

for-each 구문은 반복자를 사용하는 불편함을 어느 정도 해결해준다.
또한, iterator 객체를 이용하는 것보다 더 쉽게 컬렉션을 반복할 수 있다.

// 컬렉션: 내부적으로 숨겨졌던 반복자를 사용한 외부 반복
List<String> names = new ArrayList<>(); 
Iterator<String> iterator = menu.iterator();
while(iterator.hasNext()) // 명시적 반복
	Dish dish = iterator.next(); 
	names.add(dish.getName());	
}

// 스트림: 내부 반복
List<String> names = menu.stream()
						 .map(Dish::getName)
                         .collect(toList());

내부 반복은 ~해! 라고 하면 내부적으로 최적화할 수 있기 때문에 우리 코드가 신경 쓸게 없다. 반면에 외부 반복은 하나하나 명시해 줘야 하기 때문에 힘들다.(예를 들어, 병렬성의 synchronized를 사용하면 험난해진다..)

퀴즈 4-1 외부 반복 vs 내부 반복

다음 코드를 스트림으로 리팩토링 해보자!

List<String> highCaloricDishes = new ArrayList<>();
Iterator<String> iterator = menu.iterator(); 
while(iterator.hasNext()) {
	Dish dish = iterator.next(); 
	if(dish.getCalories() > 300) {
		highCaloricDishes.add(dish.getName()) ;
	}
}

정답

List<String> highCaloricDishes = menu.stream()	
					.filter(Dish::getCalories())
                    .map(Dish::getName())
                    .collect(toList());

📖 4.4 스트림 연산

스트림 인터페이스의 연산을 크게 두가지로 구분할 수 있다.
1. 중간연산 : 연결되어 파이프라인을 형성한다.
2. 최종연산 : 파이프라인을 실행한 다음에 닫는다.

4.4.1 중간 연산

• 중간 연산은 다른 스트림을 반환한다. 따라서 여러 중간 연산을 연결해서 질의를 만들수 있다.
• 중간 연산의 중요한 특징은 단말 연산을스트림 파이프라인에 실행하기 전까지는 아무 연산도 수행하지 않는다는 것, 즉 게으르다는 것이다. 중간 연산을 합친 다음에 합쳐진 중간 연산을 최종 연산으로 한 번에 처리하기 때문이다.

4.4.2 최종 연산

최종 연산은 스트림 파이프라인에서 결과를 도출한다.

퀴즈 4-2. 중간 연산과 최종 연산

다음 스트림 파이프라인에서 중간 연산과 최종 연산을 구별하시오.
long count = menu.stram()
				 .filter(d - > d.getCalories() > 300)
				 .distinct()
				 .limit(3)
				 .count();

정답
중간 연산 : filter, distinct, limit
최종 연산 : count

4.4.3 스트림 이용하기

스트림 이용 과정은 다음과 같이 세 가지로 요약할 수 있다.
• 질의를 수행할 (컬렉션같은) 데이터 소스
• 스트림 파이프라인을 구성할 중간 연산 연결
• 스트림 파이프라인을 실행하고 결과를 만들 최종 연산

-> 더 많다!

📖 4.6 마치며

• 스트림은 소스에서 추출된 연속요소로, 데이터 처리 연산을 지원한다.
• 스트림은 내부 반복을 지원한다. 내부 반복은 filter, map, sorted 등의 연산으로반복을 추상화한다.
• 스트림에는 중간 연산과 최종 연산이 있다.
• 중간 연산은 filter와 map처럼 스트림을 반환하면서 다른 연산과 연결되는 연산이다. 중간 연산을 이용해서 파이프라인을 구성할 수 있지만 중간 연산으로는 어떤 결과도 생성할 수 없다.
• forEach나 count처럼 스트림 파이프라인을 처리해서 스트림이 아닌 결과를 반환하는 연산을 최종 연산이라고 한다.
• 스트림의 요소는 요청할 때 게으르게 계산된다.

참고자료)
본 포스팅은 모던 자바 인 액션을 참고하여 작성하였습니다.